(57)【要約】【課題】操作入力手段に直接触れずに、非接触に操縦することのできるマニピュレータ装置を提供する。【解決手段】アーム４０ａを有するマニピュレータ４０（スレーブ）と、このマニピュレータ４０の動作（動き）を制御する制御手段（スレーブコントローラ３０）と、光学式の入力インターフェースを備える操作入力手段（マスタコントローラ２０）とを備えるマニピュレータ装置において、上記操作入力手段の入力インターフェースとして、枠状のフレームの内側に物体検知用の光の格子が形成される光学式センサを、その厚さ方向に複数枚積み重ねて形成した３次元センサ１００を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アームを有するマニピュレータと、３次元センサと、この３次元センサの内側の検知空間内に位置する入力体に関連して生じる、発光素子から受光素子に到達する光の遮断を検知することにより、この検知空間内における上記入力体の位置の３次元情報を出力する操作入力手段と、上記操作入力手段から得られた入力体の位置の３次元情報にもとづいて、上記マニピュレータのアームを上記検知空間内の入力体の位置に対応する位置に移動させる制御手段と、を備えるマニピュレータ装置であって、上記３次元センサが、枠状のフレームと、この枠状のフレームにおいて互いに対向する一方の部分に配設された発光側光導波路と、他方の部分に配設された受光側光導波路と、上記発光側光導波路に接続される発光素子と、上記受光側光導波路に接続される受光素子とを備え、上記発光素子からの光を出射する発光側光導波路のコアの各先端部が、上記枠状のフレームの一側部の内縁に位置決めされ、上記受光側光導波路のコアの各先端部が、この枠状のフレームの他側部の内縁に位置決めされ、上記発光側光導波路のコアの各先端部から出射された光により、上記フレーム内の検知領域に、枠の縦横に交差する光の格子が形成される光学式センサを、上記フレームの厚さ方向に同軸的に複数枚積み重ねて形成された３次元センサ、であることを特徴とするマニピュレータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操縦者の手の動きに連動して動くアームを有するマニピュレータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータやアクチュエータ等により駆動される、機械式の可動アームを有するマニピュレータやロボットアーム等を、離れた位置から直感的に操作（操縦）できる指示入力手段（入力インターフェース）として、マスタスレーブ方式のマニピュレータ制御装置や操作入力装置が使用されている（特許文献１，２等を参照）。
【０００３】
このマスタスレーブ式マニピュレータ装置は、操縦者（オペレータ）から離れた位置にあるマニピュレータアームやロボットアーム等のスレーブマニピュレータ（以下、単に「スレーブ」ともいう）の動作を、コンピュータや通信回線等の制御手段を介して、操縦者の手元にあるマスタマニピュレータ（以下、単に「マスタ」ともいう）の操作や動き等に連動（追従）させるものである。通常、上記マスタにおける操縦者の指示入力には、ジョイスティック型の操縦レバー（特許文献３）や、操縦対象機器の操作部（操作盤）を模した形状の模擬操縦装置（特許文献４）等を備える操作入力手段が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１５３４７５号公報
【特許文献２】特開２００６−３２１０２７号公報
【特許文献３】特開２００２−２５４３６１号公報
【特許文献４】特開２００１−３４６８０８号公報
【特許文献５】特開２００８−２０３４３１号公報
【特許文献６】特開２０１０−３２３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のようなジョイスティック等を備える従来のマニピュレータ装置においては、その操作入力手段に、ばねやリンク機構およびスイッチやセンサ等が多数使用されているため、上記操作入力手段（マスタ）の構造が複雑で重いうえ、その入力精度（感度）を高めようとすると、さらに重くて高価な構成となってしまう。しかも、上記スイッチやセンサ等には、接触式のものが用いられているため、継続使用による入力精度（感度）の低下は避けられず、高い精度を維持しようとすれば、これらを定期的にメンテナンスするか、あるいは交換するか等の手間が生じる。
【０００６】
また、衛生管理を求められる工場や、手術等の医療分野においては、上記ジョイスティック等の操作入力手段（マスタ）に触れずに、マニピュレータ等（スレーブ）を操縦したいという要望もあり、それに対応できるマニピュレータ装置の開発が望まれている。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、操作入力手段に直接触れずに、非接触で操縦することのできるマニピュレータ装置の提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明のマニピュレータ装置は、アームを有するマニピュレータと、３次元センサと、この３次元センサの内側の検知空間内に位置する入力体に関連して生じる、発光素子から受光素子に到達する光の遮断を検知することにより、この検知空間内における上記入力体の位置の３次元情報を出力する操作入力手段と、上記操作入力手段から得られた入力体の位置の３次元情報にもとづいて、上記マニピュレータのアームを上記検知空間内の入力体の位置に対応する位置に移動させる制御手段と、を備えるマニピュレータ装置であって、上記３次元センサが、枠状のフレームと、この枠状のフレームにおいて互いに対向する一方の部分に配設された発光側光導波路と、他方の部分に配設された受光側光導波路と、上記発光側光導波路に接続される発光素子と、上記受光側光導波路に接続される受光素子とを備え、上記発光素子からの光を出射する発光側光導波路のコアの各先端部が、上記枠状のフレームの一側部の内縁に位置決めされ、上記受光側光導波路のコアの各先端部が、この枠状のフレームの他側部の内縁に位置決めされ、上記発光側光導波路のコアの各先端部から出射された光により、上記フレーム内の検知領域に、枠の縦横に交差する光の格子が形成される光学式センサを、上記フレームの厚さ方向に同軸的に複数枚積み重ねて形成された３次元センサ、である構成をとる。
【０００９】
要約すれば、本発明のマニピュレータ装置は、操縦者（オペレータ）から離れた位置にあるマニピュレータアーム等のスレーブに指示を出す操作入力手段として、手指やペン等の入力体の外形形状や位置（あるいは軌跡）を、非接触状態で検知して操作入力とすることのできる光学式の３次元センサ（立体センサ）を用いることにより、所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１０】
すなわち、本発明のマニピュレータ装置では、操作入力手段の入力部として、枠状のフレームの内側に物体検知用の光の格子が形成される光学式センサを、その厚さ方向に複数枚積み重ねて形成した３次元センサを用いており、この３次元センサの内側空間には、各光学式枠状センサによる検知領域（光の格子による平面）が軸方向に所定の間隔で連なる「検知空間」が形成されている。そのため、この検知空間に、マニピュレータの操作に用いる入力体（操縦者の手指やペン等）を挿入したり通過させたりすると、その入力体が上記各光の格子の一部を遮断するため、その遮断された部分が上記受光素子により検知され、上記入力体の２次元位置情報（上記軸に直交するｘ，ｙ方向位置、大きさ等）を取得することができる。また、入力体が上記軸方向に所定の間隔で形成された光の格子を順次通過することにより、積み重ねられた各光学式センサの受光素子で順次検知されることから、上記入力体（特にその先端部位）の３次元位置情報（上記軸に沿ったｚ方向位置や、傾き、速度・加速度等）を取得することができる。したがって、本発明のマニピュレータ装置は、これら３次元センサから得られた情報にもとづいて、操作入力手段に直接触れることなく、マニピュレータを操作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態におけるマニピュレータ装置の全体構成を説明する図である。
【図２】上記マニピュレータ装置の操作入力手段に用いられている３次元センサの構造を説明する分解斜視図である。
【図３】（ａ）は、上記３次元センサを構成する枠状の光学式センサの１つの構造を説明する図であり、（ｂ）は、その光学式センサに備わる受光素子アレイの動作を説明する図である。
【図４】（ａ）は、３次元センサの検知空間ｓ内における入力体のｚ方向座標を検出する原理を説明する図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、各光学式センサにおける入力体の検知の状態を説明する図である。
【図５】（ａ）〜（ｆ）はいずれも、発光側光導波路あるいは受光側光導波路を備える光学式センサの製法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
つぎに、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて詳しく説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態におけるマニピュレータ装置の全体構成を説明する図である。また、図２は、上記マニピュレータ装置の操作入力手段に用いられている３次元センサの構造を説明する分解斜視図であり、図３（ａ）は、上記３次元センサを構成する枠状の光学式センサの１つの構造を説明する図である。なお、図２においては、説明を容易にするために、３次元センサの入口（開口）を上向きに図示している。また、図２，図３（ａ）においては、フレーム１の長辺方向（横方向）をｘ方向とし、フレーム１の短辺方向（縦方向）をｙ方向とするとともに、フレーム１の厚さ方向をｚ方向としている。そして、これらの図では、光導波路コア（２ａ，３ａ）を鎖線で、フレーム１内側の格子状の光（不可視の赤外光）を一点鎖線で表示しており、光導波路コアの本数と格子状の光の本数とは、数を省略して描いている。
【００１４】
本実施形態におけるマニピュレータ装置は、衛生管理が必要な工場や医療分野等で用いられるものであり、図１に示すように、アーム４０ａを有するマニピュレータ４０（スレーブ）と、このマニピュレータ４０の動作（動き）を制御する制御手段（スレーブコントローラ３０）と、光学式の入力インターフェース（１００）を備える、上記マニピュレータ４０操作用の入力手段（マスタコントローラ２０）とから構成されている。また、上記光学式の入力インターフェースとして、図２に示すような、枠状のフレーム１と、このフレーム１に配置された発光側光導波路２および受光側光導波路３と、発光側光導波路２に接続される発光素子（光源４）と、受光側光導波路３に接続される受光素子アレイ（イメージセンサ５）とを備える光学式センサ１０を、その厚さ方向に複数枚積み重ねて形成された３次元センサ１００を用いている。
【００１５】
そして、図１のように、上記マスタコントローラ２０は、３次元センサ１００の内側の検知空間ｓ内に位置する入力体（この例では手指）に関連して生じる、発光素子（４）から受光素子（５）に到達する光の遮断を検知することにより、この検知空間ｓ内における上記入力体の位置の３次元情報を取得するとともに、このマスタコントローラ２０が出力する上記入力体の位置の３次元情報にもとづいて、上記スレーブコントローラ３０が、マニピュレータ４０のアーム４０ａを、マニピュレータ４０の周囲の可動域（仮想空間）Ｓ内の所定位置〔上記検知空間ｓ内の入力体（手指）の位置に対応する位置〕に移動させるようになっている。これが、本実施形態におけるマニピュレータ装置の特徴である。
【００１６】
上記マニピュレータ装置について、より詳しく説明すると、マニピュレータ４０（スレーブ）は、自由に折り曲げることのできる関節（回転軸等）を複数有するタイプのもので、その先端部に各種アタッチメント等（図示省略）を取り付けることにより、様々な作業に対応できるようになっている。なお、上記マニピュレータ４０の関節（回転軸等）は、上記スレーブコントローラ３０からの指令（信号）にもとづき、モータ，アクチュエータ等により駆動される。
【００１７】
上記マニピュレータ４０を制御するスレーブコントローラ３０は、マニピュレータ４０に指令（信号）を送信する制御部、上記マスタコントローラ２０が出力する入力体（手指等）の位置の３次元情報等を演算する演算部、マニピュレータ４０の位置や姿勢をモニタリングするフィードバック部や、通信部、メモリ部、電源部等を備えている。なお、上記スレーブコントローラ３０には、上記入力体（手指等）の位置の３次元情報にもとづいて、マニピュレータ４０が安全に動き回ることのできる可動域（仮想空間）Ｓが記憶されている。また、上記例（図１）では、スレーブコントローラ３０とマニピュレータ４０との間の通信回線は、ケーブル等の有線接続であるが、無線接続としてもよい。
【００１８】
上記３次元センサ１００を制御して、入力体（手指等）の位置の３次元情報を取得するマスタコントローラ２０は、３次元センサ１００における個々の光学式センサ１０の光源４の発光を制御する制御部、上記個々の光学式センサ１０のイメージセンサ５から得られる信号（強度）を解析して、検知空間ｓ内における入力体の３次元位置を特定する演算部や、通信部、メモリ部、電源部等からなる。なお、上記例（図１）では、このマスタコントローラ２０と３次元センサ１００との間の通信は、ケーブル等の有線接続で行われ、マスタコントローラ２０と上記スレーブコントローラ３０との間が、無線接続で行われるようになっているが、これらはいずれも、有線接続あるいは無線接続のどちらでもよい。また、マニピュレータ４０が、遠隔地にある場合、または、マスタコントローラ２０側から直接見通せないほど離れている場合は、スレーブコントローラ３０との間は有線接続とすることが好ましく、その場合、上記有線接続の回線を通じて上記マニピュレータ４０の位置や姿勢等をモニタリングすることのできる、モニタ手段等を併設することが望ましい。
【００１９】
つぎに、検知空間ｓ（立方体）内の入力体の位置を検出する３次元センサ１００は、図２に示すように、枠状のフレーム１と、この枠状の、相対する枠辺部に設けられた光導波路とからなる光学式センサ１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，・・・）を、このフレームの厚さ方向（ｚ方向）に複数枚（この例においては１０枚あるいは１０層）重ねて形成されている。そして、各光学式センサ１０に配置された発光側光導波路２のコア２ａ（鎖線で表示）から分岐した各先端部２ｘ，２ｙから出射された光（一点鎖線、矢印は光の進行方向を示す）により、それぞれのフレーム１内の検知領域（平面Ｔ）に、枠の縦横に交差する光の格子が形成される。
【００２０】
上記３次元センサ１００を構成する枠状の光学式センサ１０の単体（一枚）について、より詳しく説明すると、この光学式センサ１０は、図３（ａ）の平面図に示すように、枠状のフレーム１と、フレーム１内に配置された発光側光導波路２および受光側光導波路３と、上記フレーム１に取り付けられた発光素子（光源４）および受光素子アレイ（イメージセンサ５）とを備えている。
【００２１】
上記フレーム１は、後記の光導波路２，３を正確に位置決めするためのものであり、図３（ａ）のように、所定の幅を持った枠状で、その一面に形成された光導波路２，３により、枠状の内側に、平面状の検知領域Ｔが形成されるようになっている。なお、このフレーム１は、各フレーム１を軸方向に所定の間隔で積み重ねるためのスペーサとしての役割も兼用する。
【００２２】
上記フレーム１の形成材料としては、ガラス，シリコン，金属や、比較的硬質な樹脂等、寸法安定性に優れる材料が用いられる。上記樹脂としては、例えば、ポリプロピレン，ポリエチレン，ポリエチレンナフタレート，ポリエステル，ポリアクリレート，ポリカーボネート，ポリノルボルネン，ポリイミド等があげられる。フレーム１への光導波路からの光の漏れを抑える観点からは、構成材料の屈折率は低い方が好ましく、ポリプロピレン，ガラス，シリコン等や、不透明な金属等が用いられる。
【００２３】
上記発光側光導波路２および受光側光導波路３は、上記フレーム１上にもしくはフレーム１と一体に形成するか、あるいは、硬質のフレーム１上に別途作製した光導波路を貼り付けることにより、上記枠状のフレーム１において互いに対向する一方の部分と他方の部分とに配設されている。なお、これら光導波路２，３は、略Ｌ字状の光導波路２個を組み合わせて構成してもよい。また、上記光導波路２，３がフレーム１と一体の枠状の場合、この光導波路２，３に共通のクラッド層（後記アンダークラッド層）自体をフレーム１として、その上に光路となるコアを形成すればよい。
【００２４】
上記発光側光導波路２のコア２ａ（鎖線）は、図３（ａ）のように、フレーム１において隣り合う２辺（図においては上辺と左辺）に光を分配できるように、光源４に接する光入射側の端部から、フレーム１の長辺側（ｘ方向）および短辺側（ｙ方向）の２方向に分岐する形状に形成されており、光出射側の各先端部２ｘ，２ｙが、枠状のフレーム１の一側部の内縁〔図３（ａ）においては上側縁と左側縁〕の所定位置に、それぞれ位置決めされている。そして、光源４からの光を上記各先端部２ｘ，２ｙから出射（発光）させることにより、上記フレーム１の内側の検知領域Ｔに、枠の縦横（ｘｙ方向）に交差する光の格子が形成される。
【００２５】
一方、上記受光側光導波路３のコア３ａ（鎖線）は、上記発光側光導波路２のコア２ａに対して検知領域Ｔを挟んで対向するフレーム１部分（図においては下辺と右辺）に配設されており、そのコア３ａの各先端部３ｘ，３ｙも、上記発光側のコア２の各先端部２ｘ，２ｙに対向する、フレーム１の他側部の内縁〔図３（ａ）においては下側縁と右側縁〕の所定位置にそれぞれ位置決めされている。そして、上記検知領域Ｔを通過して、上記各先端部３ｘ，３ｙに入射した光が、これら各先端部３ｘ，３ｙのひとつひとつに対応する多数の受光素子を有する受光素子アレイ（イメージセンサ５）に導かれるようになっている。
【００２６】
上記光学式センサ１０を構成する発光側光導波路２および受光側光導波路３としては、コアの正確なパターニングが容易な、ポリマー系の光導波路が好ましい。このポリマー系の光導波路は、樹脂材料を用いて形成されたアンダークラッド層〔図３（ａ）においてはフレーム１〕とオーバークラッド層（図示せず）の間に、フォトリソグラフィ法等により、上記各形状のコア２ａ，３ａを精密にパターニングすることができる。
【００２７】
なお、上記発光側光導波路２の出射側端部（コア２ａの各先端部２ｘ，２ｙ）と、上記受光側光導波路３の入射側端部（コア３ａの各先端部３ｘ，３ｙ）とは、フレーム１の内側に向かって反るレンズ状（平面視円弧状）になっていることが望ましい。上記発光側光導波路２のコア２ａの各先端部２ｘ，２ｙを上記レンズ状とすることにより、これら先端部２ｘ，２ｙから、フレーム１の内縁に垂直でかつ互いに平行な光線を出射することができる。また、上記受光側光導波路３のコア３ａの各先端部３ｘ，３ｙを上記レンズ状とすることにより、これら先端部３ｘ，３ｙの集光効率を高めることができる。
【００２８】
また、光導波路の各コア２ａ，３ａを形成する材料としては、樹脂材料（高分子材料）の他にも、例えばガラス等、周囲に配設されるクラッド層より屈折率の高い材料で構成することもできる。ただし、コア２ａ，３ａと周囲のクラッド層との屈折率の差は、０．０１以上であることが好ましく、上記形状のパターンニング性等も考慮すると、紫外線硬化樹脂等の感光性樹脂が最も好ましい。使用する紫外線硬化樹脂としては、アクリル系，エポキシ系，シロキサン系，ノルボルネン系，ポリイミド系等があげられる。
【００２９】
さらに、コア２ａ，３ａの周囲のクラッド層は、上記紫外線硬化樹脂等の感光性樹脂のうち、コア２ａ，３ａより屈折率の低い材料を用いればよい。その他にも、クラッド層には、ガラス，シリコン，金属，樹脂等、平坦性を有する基板を兼用する材料を用いることもできる。クラッド層は、コア２ａ，３ａ下側のアンダークラッド層（この場合はフレーム１）のみとしてもよく、コア２ａ，３ａを覆うオーバークラッド層は、形成しなくてもよい。そして、上記光導波路は、プラズマを用いたドライエッチング法，転写法，露光・現像を用いたフォトリソグラフィ法，フォトブリーチ法等により作製することが可能である。
【００３０】
上記光学式センサ１０に使用する発光素子（光源４）には、発光ダイオード（ＬＥＤ）または半導体レーザー等が用いられ、なかでも、光伝送性に優れるＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）が好適に用いられる。上記光源４が出射する光の波長としては、近赤外（波長：７００〜２５００ｎｍ）が好ましい。
【００３１】
また、上記受光素子アレイ（イメージセンサ５）としては、ＣＣＤ，ＣＭＯＳ等のイメージセンサや、多数の受光素子が一列に並ぶＣＭＯＳリニアセンサアレイ等を用いることができる。
【００３２】
つぎに、上記３次元センサ１００を用いた入力体（手指等）の位置の３次元情報（座標等）の取得方法について述べる。図４（ａ）〜図４（ｄ）は、本発明のマニピュレータ装置の入力手段における入力体の座標の検知方法を説明する図である。
【００３３】
入力体の位置の３次元情報を取得する方法を説明する前に、まず、３次元センサ１００を構成する枠状の光学式センサ１０（一枚）を用いて、入力体の２次元座標を検出する方法について説明する。
【００３４】
前記マスタコントローラ２０の指令等により、各光学式センサ１０の光源４が光（例えば赤外光）を出射した場合、その光は上記発光側光導波路２のコア２ａを通じて各先端部２ｘ，２ｙからフレーム１内に出光され、前記図３（ａ）に示すように、検知領域Ｔ内に光の格子（一点鎖線）を形成する。この時、上記検知領域Ｔ内に、図のような物体（手指等の入力体）が存在すると、図３（ａ）のように、上記検知領域Ｔ内を通る格子状の光の一部が物体により遮断され、その遮断部分が、図３（ｂ）に示すような、上記イメージセンサ５における該当受光素子の信号（受光強度）の低下となって現れる。そして、この信号の低下した個所（素子）を、上記マスタコントローラ２０等の走査で検出することにより、上記検知領域Ｔ内における物体の２次元座標〔ｘ方向位置およびｙ方向位置、図３（ａ）中の手指の触れ位置〕を特定することができる。
【００３５】
つぎに、上記枠状の光学式センサ１０を複数枚積み重ねて構成された３次元センサ１００を使用して、入力体（Ｐ）の位置の３次元情報（ｚ方向位置）を検出する場合、例えば、図４（ａ）の原理図のように、上（開口側）から順に１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，・・の光学式センサ１０が積層された３次元センサ１００の検知空間ｓに、図の位置まで入力体Ｐ（入力体のモデル）が挿入される場合を考えると、まず、開口側の第１枚目（一層目）の光学式センサ１０Ａにおいて、図４（ｂ）のように、上記入力体Ｐによる光の遮断に相当する位置の受光素子の信号（受光強度）が、しきい値（点線で表示）以下に低下する。この信号の低下を、上記マスタコントローラ２０等の走査により検出した場合、上記入力体Ｐが光学式センサ１０Ａのｚ方向位置を通過した、すなわち、入力体Ｐが光学式センサ１０Ａの位置を越えて挿入されたことが分かる。
【００３６】
ついで、前記マスタコントローラ２０の制御等により、上記１０Ａより下方向の光学式センサ１０Ｂ，１０Ｃ，・・・を順次走査すると、図４（ｃ）および図４（ｄ）のように、上記入力体Ｐが光を遮断した位置（ｘ，ｙ座標）が、上記光学式センサ１０Ａと同様に特定される。ここで、上記入力体Ｐによる光の遮断が充分な光学式センサ１０Ｂ〔図４（ｃ）参照〕は、上記イメージセンサ５における受光素子の信号が、上記光学式センサ１０Ａ同様、しきい値（点線）以下まで低下しているのに対し、上記入力体Ｐ（の先端部）による光の遮断が不充分な光学式センサ１０Ｃ〔図４（ｄ）参照〕は、イメージセンサ５における受光素子の信号が、しきい値（点線）まで低下せず、入力体Ｐの存在が検知できない状態となっている。このように、上記枠状の光学式センサ１０を複数枚積み重ねて構成した３次元センサ１００においては、積み重ねられた光学式センサ１０をｚ方向に走査することにより、開口側（上側）から何枚目までの光学式センサ１０が、上記入力体Ｐによる信号の低下を検知したかを検出でき、これにより、上記入力体Ｐの先端位置（ｚ方向位置）を特定することができる。
【００３７】
なお、上記入力体Ｐによる光の遮断を判定するための「しきい値」は、通常、光源４を発光させて光を遮らない時（キャリブレーションあるいはブランク）の信号強度を１００とした場合、４０〜８０（相対受光強度）の範囲で設定される。また、上記マスタコントローラ２０の演算部等により、各光学式センサ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ・・・から得られる２次元情報（ｘ方向およびｙ方向に幅を持った面積的情報）に、上記ｚ方向の座標（物体の「高さ」に相当する情報）を加味することによって、入力体Ｐの輪郭や軌跡等を検出することもできる。
【００３８】
上記のように、本実施形態のマニピュレータ装置によれば、上記マスタコントローラ２０が備える３次元センサ１００内側の検知空間ｓ内で、操縦者の手指やペン等の入力体（Ｐ）を動かすことにより、この入力体のｘ，ｙ，ｚ座標等の３次元情報を取得することができる。したがって、このマニピュレータ装置は、これら３次元センサ１００から得られた情報にもとづいて、操作入力手段に直接触れることなく、非接触で、マニピュレータ４０のアーム４０ａを、直感的に操作することができる。
【実施例】
【００３９】
つぎに、上記マニピュレータ装置の操作入力手段（入力インターフェース）に用いられる、３次元センサ１００を作製する方法の一例について説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００４０】
まず、上記３次元センサ１００に用いる光学式センサ１０（一枚）の製法を説明する。
図５（ａ）〜（ｆ）はいずれも、発光側光導波路２および受光側光導波路（３）を備える光学式センサ１０の製法を説明する図である。なお、上記発光側光導波路２と受光側光導波路（３）とは、そのコア２ａと３ａの形状のみの違いであり、同様にして作製することができるため、後記の製法および図５（ａ）〜（ｆ）では、受光側光導波路（３）の図示を省略し、発光側光導波路２のみを主体に説明している。
【００４１】
本実施例においては、光出射用のコア２ａを有する発光側光導波路２と、光入射用のコア（３ａ）を有する受光側光導波路（３）とを、枠状にかつ一体に形成する〔図３（ａ）参照〕。
【００４２】
（作業用基台の準備）
まず、光導波路２および（３）を作製するのに用いる基台（フラットベース）Ｂを準備する。この基台Ｂとしては、例えば、金属，樹脂，ガラス，石英，シリコン等、硬質なものが用いられる。なお、上記基台Ｂは、光導波路作製後に剥離除去されるものである。
【００４３】
（アンダークラッド層の作製）
ついで、図５（ａ）に示すように、上記基台Ｂの表面に、後に光導波路のフレーム１となるアンダークラッド層１１を形成する。このアンダークラッド層１１は、感光性樹脂を形成材料として、フォトリソグラフィ法により形成することができる。アンダークラッド層１１の厚さは、例えば、５〜５０μｍの範囲内に設定される。
【００４４】
（コアの作製）
つぎに、図５（ｂ）に示すように、上記アンダークラッド層１１の表面に、フォトリソグラフィ法により前記パターンの光出射用のコア２ａと、光入射用のコア（３ａ：図示省略）を形成する。なお、コア２ａ，（３ａ）の形成材料としては、上記アンダークラッド層１１および後記のオーバークラッド層１２〔図５（ｆ）参照〕の形成材料よりも屈折率が高い感光性樹脂が用いられる。
【００４５】
（オーバークラッド層の作製）
ついで、図５（ｃ）に示すような、オーバークラッド層形成用の、透光性を有する四角枠状の成形型１３を準備する。この成形型１３には、オーバークラッド層１２〔図５（ｅ）〕の表面形状に対応する型面を有する凹部１３ａが形成されている。そして、その凹部１３ａを上にして、成形型１３を成形ステージ（図示せず）の上に設置し、その凹部１３ａに、オーバークラッド層１２の形成材料である感光性樹脂組成物（ワニス）１２’を充填する。
【００４６】
ついで、図５（ｄ）に示すように、上記アンダークラッド層１１の表面にパターン形成したコア２ａ，（３ａ）を、上記成形型１３の凹部１３ａに対して位置決めし、その状態で、上記アンダークラッド層１１を上記成形型１３に押圧し、上記オーバークラッド層１２の形成材料である感光性樹脂組成物１２’内に、上記コア２ａ，（３ａ）を浸す。そして、この状態で、紫外線等の照射線を、上記成形型１３を透して上記感光性樹脂組成物１２’に照射し、その感光性樹脂組成物１２’を露光する。これにより、上記感光性樹脂組成物１２’が硬化し、四角枠状の内周縁部がレンズ形状に形成された四角枠状のオーバークラッド層１２が形成される。
【００４７】
（光導波路の脱型、打ち抜き）
つぎに、図５（ｅ）〔図５（ｄ）とは上下を逆に図示している〕に示すように、上記成形型１３から、オーバークラッド層１２を、上記フレーム１，アンダークラッド層１１およびコア２ａ，（３ａ）とともに脱型する。その後、刃型を用いた打ち抜き等により、基台Ｂごと、アンダークラッド層１１を所定の四角形の枠状（フレーム１の所定形状）に切断する。そして、図５（ｆ）のように、光導波路２および（３）を上記基台Ｂから剥離することにより、四角枠状でかつ一体の光導波路２，（３）を得る〔図３（ａ）参照〕。
【００４８】
なお、上記実施例では、発光側光導波路２と受光側光導波路（３）とを一体に作製した例を示したが、これらは別々に作製してもよく、Ｌ字型光導波路等、さらに多くの光導波路パーツを組み合わせて形成してもよい。
【００４９】
つぎに、上記四角枠状でかつ一体の光導波路２，（３）を用いて、光学式センサ１０を作製する。
【００５０】
（光学式センサの作製）
まず、図３のように、上記発光側光導波路２の入射側端部に、光源４となるＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）をアライメント（光軸合わせ）して取り付けるとともに、上記受光側光導波路（３）の出射側端部に、受光素子アレイ（イメージセンサ５）を、各コア（３ａ）と対応する受光素子（１個）の光軸が一致するようにアライメントして取り付ける。
【００５１】
ついで、上記オーバークラッド層１２のレンズ部を除く光導波路の上面を、保護板等により被覆することにより、枠状の光学式センサ１０が得られる。上記保護板の形成材料としては、例えば、樹脂，金属，ガラス，石英，シリコン等があげられる。なお、保護板は設けなくてもよい。また、光源４やイメージセンサ５等には、これらを制御するマスタコントローラ２０との接続線（図示省略）が配設される。
【００５２】
（３次元センサの作製）
そして、上記光学式センサ１０を必要枚数準備し、図２のように、これらを同軸状に積み重ねることにより、本実施例の３次元センサ１００を得ることができた。なお、図２においても、各光源４や各イメージセンサ５等の制御のための接続線は、図示を省略している。また、これら各光学式センサ１０同士の間には、その軸方向の間隔（距離）を調整するスペーサ等を介在配置してもよい。
【００５３】
（３次元センサの動作確認）
上記３次元センサ１００を、指示入力手段（入力インターフェース）として利用することにより、本発明のマニピュレータ装置は、手指等の入力体の３次元情報（座標）を、ｘ方向に１ｍｍ／ピッチ，ｙ方向に１ｍｍ／ピッチ，ｚ方向に１ｍｍ／ピッチの高精細な状態で取得することができた。これにより、マニピュレータ４０のアーム４０ａは、入力体の繊細でかつ微妙な動きにも追随することができる。
【００５４】
［実施例１］
つぎに、上記実施例の３次元センサに用いた枠状光学式センサについて、その詳細を説明する。
【００５５】
〔光導波路のアンダークラッド層の形成材料〕
成分Ａ：脂環骨格を含むエポキシ樹脂（ダイセル化学工業社製，ＥＨＰＥ３１５０）７５重量部
成分Ｂ：エポキシ基含有アクリル系ポリマー（日油社製，マープルーフＧ−０１５０Ｍ）２５重量部
成分Ｃ：光酸発生剤（サンアプロ社製，ＣＰＩ−２００Ｋ）４重量部
これら成分Ａ〜Ｃを、紫外線吸収剤（チバジャパン社製，ＴＩＮＵＶＩＮ４７９）５重量部とともに、シクロヘキサノン（溶剤）に溶解することにより、アンダークラッド層の形成材料を調製した。
【００５６】
〔光導波路のコアの形成材料〕
成分Ｄ：ＢｉｓＡ骨格を含むエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製，１５７Ｓ７０）８５重量部
成分Ｅ：ＢｉｓＡ骨格を含むエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製，エピコート８２８）５重量部
成分Ｆ：エポキシ基含有スチレン系ポリマー（日油社製，マープルーフＧ−０２５０ＳＰ）１０重量部
これら成分Ｄ〜Ｆと上記成分Ｃ４重量部とを、乳酸エチルに溶解することにより、コアの形成材料を調製した。
【００５７】
〔光導波路のオーバークラッド層の形成材料〕
成分Ｇ：脂環骨格を有するエポキシ樹脂（ＡＤＥＫＡ社製，ＥＰ４０８０Ｅ）１００重量部
この成分Ｇと上記成分Ｃ２重量部とを混合することにより、オーバークラッド層の形成材料を調製した。
【００５８】
〔光導波路の作製〕
ガラス製基台の表面に、上記アンダークラッド層の形成材料（ワニス）を塗布した後、１６０℃×２分間の加熱処理を行い、感光性樹脂層を形成した。ついで、上記感光性樹脂層に対し、紫外線を照射して積算光量１０００ｍＪ／ｃｍ2の露光を行い、厚さ１０μｍの四角状のアンダークラッド層（波長８３０ｎｍにおける屈折率１．５１０）を形成した。
【００５９】
ついで、上記アンダークラッド層の表面に、上記コアの形成材料を塗布した後、１７０℃×３分間の加熱処理を行い、感光性樹脂層を形成した。つぎに、フォトマスクを介して（ギャップ１００μｍ）、紫外線を照射し、積算光量３０００ｍＪ／ｃｍ2の露光を行った。続いて、１２０℃×１０分間の加熱処理を行い、その後、現像液（γ−ブチロラクトン）を用い現像することにより、未露光部分を溶解除去した。その後、１２０℃×５分間の乾燥処理を行い、幅３０μｍ×高さ５０μｍのコア（波長８３０ｎｍにおける屈折率１．５７０）をパターン形成した。
【００６０】
つぎに、オーバークラッド層形成用の、透光性を有する四角枠状の成形型を準備した。この成形型には、オーバークラッド層の表面形状に対応する型面を有する凹部が形成されている〔図５（ｃ）参照〕。そして、その凹部を上にして、成形型を成形ステージの上に設置し、その凹部に、上記オーバークラッド層の形成材料を充填した。
【００６１】
ついで、上記アンダークラッド層の表面にパターン形成したコアを、上記成形型の凹部に対して位置決めし、その状態で、上記アンダークラッド層を上記成形型に押圧し、上記オーバークラッド層の形成材料内に、上記コアを浸した。そして、この状態で、紫外線を、上記成形型を透して上記オーバークラッド層の形成材料に照射して積算光量８０００ｍＪ／ｃｍ2の露光を行い、四角枠状の内周縁部が凸状のレンズ部に形成された四角枠状のオーバークラッド層を形成した。その凸状のレンズ部は、側断面形状が略１／４円弧状のレンズ曲面（曲率半径１．４ｍｍ）を有するものであった。
【００６２】
つぎに、上記成形型から、上記オーバークラッド層を、上記基台，アンダークラッド層およびコアとともに脱型し、刃型により所定の枠型形状に打ち抜いた後、ガラス製基台から剥離して、四角枠状の光導波路（総厚１ｍｍ）を得た〔図５（ｆ）参照〕。
【００６３】
〔光学式センサの作製〕
つぎに、上記四角枠状の外縁に、発光素子（Ｏｐｔｏｗｅｌｌ社製，ＳＭ８５−２Ｎ００１）および受光素子アレイ（浜松ホトニクス社製，Ｓ−１０２２６）をアライメントして位置決め固定（接着）した。
【００６４】
その後、上記光導波路の上に、これらを保護するポリカーボネート製保護板（厚さ１ｍｍ）を取り付け、光学式センサを得た。この光学式センサにおいて、光導波路部分は、上記保護板とを合わせて、総厚２ｍｍであった。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明のマニピュレータ装置は、衛生管理を求められる工場や医療分野等、操作入力手段に直接触れずに、マニピュレータを非接触で操縦する必要のある分野での利用に適する。
【符号の説明】
【００６６】
２０  マスタコントローラ
３０  スレーブコントローラ
４０  マニピュレータ
４０ａ  アーム
１００  ３次元センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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